植物不具备使动物能够快速运动的神经和肌肉。然而，通常被称为“不要碰我”、“羞耻”或“敏感植物”的含羞草会通过立即弯曲运动器官“pulvinus”来移动叶子，以响应触摸和伤口。自查尔斯·达尔文时代以来，人们就开始研究这种壮观的叶子运动。然而，引发叶片快速运动的长距离信号分子和这种运动的生理作用仍未得到探索。

由MasatsuguToyota教授(日本埼玉大学)领导的团队揭示了哪些信号可以长距离传播并触发含羞草的快速运动，以及为什么含羞草会立即移动其叶子。

该研究发表于11月14日的NatureCommunications上。TakumaHagihara作为博士领导了这项工作。丰田实验室的学生，并与日本国立基础生物学研究所长谷部实验室的研究人员合作。

“为了阐明快速叶片运动的长距离信号和生理功能，我们创造了转基因'荧光'和'不动'含羞草，”丰田说。视频显示荧光的爆发在整个叶子中快速传播并触发叶子运动。荧光实时跟踪细胞溶质钙。

“在Ca2+信号到达运动器官pulvini后仅0.1秒，含羞草就关闭了它的叶子，”丰田补充道。

触摸叶尖会依次触发pulvini和小叶运动中的Ca2+信号。图片来源：MasatsuguToyota/埼玉大学

先前的研究表明，电信号(例如动作电位)对于含羞草叶片的快速运动至关重要。

“我们开发了一种同时记录细胞溶质Ca2+和电信号的系统，以揭示这些信号之间的时空关系，”Toyota说。在伤害叶子时，Ca2+和电信号以相似的速度系统地传播并在相似的时间通过记录点。因此，长距离Ca2+和电信号在含羞草中时空耦合。

用Ca2+通道抑制剂La3+和维拉帕米以及Ca2+螯合剂EGTA预处理含羞草叶片，可阻断Ca2+/电信号和叶片响应伤口的运动。这些数据支持Ca2+作为长距离信号分子触发含羞草叶片快速运动的观点。

“含羞草因其惊人的运动而成为最著名的植物之一，”丰田说。“然而，虽然对于叶的快速运动的生理功能有很多假设，但含羞草叶运动的原因尚未得到科学阐明。”

使用CRISPR/Cas9基因组编辑技术，丰田的科学家团队创造了一种缺乏运动器官pulvini的“不动”elp1b突变体。他们比较了野生型能动的含羞草和在遗传和药理学上不能运动的含羞草，发现草食性昆虫，如蚱蜢，比野生型的叶子更多地消耗这些不能动的叶子。

他们还在显微镜下观察了Ca2+信号、叶子的运动以及蚱蜢在叶子上的行为。蚱蜢进食后，小叶与Ca2+信号的传播平行地顺序移动，此后，蚂蚱停止进食并离开。

“我们终于获得了证据，表明基于传播Ca2+和电信号的快速运动可以保护含羞草免受昆虫攻击，”丰田说。“植物拥有通常隐藏在视线之外的各种通信系统;眼见为实，”他补充道。